201421190229-熊春-3D打印技术最新发展综述VIP

1、3D打印综述摘要：本文阐述了3D打印技术及其目前的发展现状，并且阐述它的主要应用领域。先是大致介绍了3D打印技术及其应用，然后就其优点进行了分析，并对其目前的限制因素进行了阐述。最后就其国内外发展状况进行了介绍。这篇文章有助于想从事3D打印研究的人员摸清方向，并对其有一个总体的了解。关键词:3D打印；技术；应用；研究现状 一、简介3D打印技术（英语：3Dprinting），即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（

2、比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。“3D打印技术”意味着这项技术的普及。3D打印技术出现在上世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这一技术如今在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。 二、3D打印的

3、应用 1.工业应用“空气单车”是位于英国布里斯托尔的欧洲航空防务和航天公司采用3D打印机，应用3D打印技术制造出的世界上第一辆打印自行车。这辆自行车使用像钢铁和铝合金一样结实的尼龙材料，重量比金属材料要轻65%。更有趣的是，“空气单车”无论是车轮、链条还是轴承都是一次打印出来的，无需原来先制造零件再将零件组装在一起的总装流程，打印结束后，自行车就能够活动自如。自行车的制造过程就像在平面打印中打印不连续的线条一样简单，3D打印机能够打印出空间彼此不相连的物体。2. 医学应用3D打印技术作为科技前沿的代表性技术，自然受到了医疗行业的青睐。如今，3D打印技术逐渐应用到医学领域的范围已经超出了我们的想

4、象，引起了广泛关注。就目前而言，3D打印技术在医疗方面的运用主要在以下几个方面：快速制作人体器官模型，3D打印出来的器官可用于教学和术前模拟等，这是最传统的用途。据国外媒体报告，英国专家研发的3D打印技术可用胚胎干细胞制造人体组织，这种由爱丁堡赫瑞瓦特大学开发的方法意味着病入膏肓的病人或是灾难中受严重伤害的病人，可轻易获得肝脏、心脏和其它器官。作为手术植入体3D打印；3D打印产品可以根据确切体型匹配定制，如今通过3D打印制造的医疗植入物这种技术已被应用于制造更好的钛质骨植入物、义肢以及矫正设备。美国研究人员利用3D打印机开发骨骼打印技术，造出类似骨骼的材料，它可被用于骨科、牙科治疗或开发治疗骨

5、质疏松症药物。3.日常生活应用“3D食物打印机”是美国纽约康奈尔大学研制的食物制造设备。这部“3D食物打印机”采用了类似日常计算机打印机的工作原理，将食材和配料预先放入容器内（墨盒）中，只需输入所需食谱，通过所配套的CAD软件就能把美食“印”出来。对不少厨师而言，这种烹饪的新厨具意味着他们可以创作新菜品，制作出更多个性美食，获得更高的食物附加值。使用“3D食物打印机”制作食物，可以大幅地缩减从原材料到成品的环节，从而避免食物加工、运输、包装等环节中的污染与保存等不利影响。由于烹饪的原料和配料必须放置在打印机的容器内，因此食物原料必须是液体或其他可以“打印”的状态。4.IT应用最近，迪士尼的一组

6、研究人员利用3D打印技术在与有机玻璃同样效果的高透光塑料上，以低廉造价打印出了LCD屏幕与多种传感器，实现了IT应用中的新突破。利用3D打印光导管可以制造出高科技的国际象棋，这些国际象棋的棋子可以侦测并显示当前位置。尽管这种单色屏与日常生活中见到丰富多彩的显示屏相比有些微不足道，但其拥有3D打印技术成本低廉、制造工艺简单的优势。除了显示屏，利用3D打印技术还能够打印出多种传感器。这些传感器可以通过红外光来侦测触摸、振动等刺激，并将结果输出。3D打印技术必将为智慧生活和智慧城市创造出更多的IT应用。图1、3D打印技术的应用三、3D打印技术的优点3D打印技术的优点在于它不需要在工厂操作，汽车小零件

7、灯罩小提琴等小件物品只需要一台类似台式电脑的小打印机即可，放在办公室或者房间的角落中而自行车汽车仪表板飞机等大件物品，则需要更大的打印机人们只需要在打印过程中，控制特定的材料以及精密度。3D打印技术对个体化产品的支持力度大大增加。以医学为例,如果有人因交通事故,需要更换钦合金的人造骨骼.以前只有大、中、小只种型号,可用而不适用,现在按照CT扫描数据建立3D原型,利用3D打印机可直接打印出百分百符合患者需求的人造骨骼在军事领域，3D打印技术给装备保障带来的变化无疑也是革命性的。在未来信息化战场上，无论武器装备处于任何位置，一旦需要更换损毁的零部件，技术保障人员可随时利用携带的3D打印机，直接把所

8、需的部件一个一个地打印出来，装配起来就可以让武器装备重新投入战场。据外媒报道，美国陆军已经加入扩展3D打印行动，为“增强小型前线作战基地的可持续作战能力”，去年8月和今年1月，他们先后向阿富汗战区部署了两个移动远征实验室，实验室由一个6米的集装箱制成，配备有实验室设备、成型机、3D打印机和其他制造工具，可以将塑料、钢铁和铝等材料打印为战场急需零部件。四、3D打印技术的限制因素虽然打印产业的发展前景十分广阔，但在技术和产业层面还存在不少挑战和制约因素。打印未来的国际竞争和企业间竞争都将围绕这些重点问题展开，谁能率先攻克难关，谁就能获取产业发展的主导权。1、时间能源等方面的边际成本制约打印的产业规

9、模。未来人们的需求是大批量个性化，需要在充足数量的产品前提下，尽可能地丰富产品种类，满足多样化、个性化需求。如果将目前的打印技术用于大批量产品的制造、消耗的时间、能源成本将明显高于传统制造方式。因此，打印将和传统制造方式分别占据两个不同层面的市场。在未来相当长的时间内，打印主要适用于订单式的个性化定制生产，满足多样化、个性化需求以及某些时效性强、门类特殊的细分市场需求，其优势在于单位产品的附加值较高。传统的批量生产模式，虽然利润率十分有限，但仍然在规模化生产方面占据优势地位，市场份额较大。2、打印现有加工质量的不稳定性和精度不足，阻碍其在制造业中的广泛应用。现阶段，用金属材料进行打印面临的最大

10、挑战是质量稳定性和工艺过程的一致性。外部电压不稳、环境温度变化、材料成分变化、数字设计方案不合理、装备精密程度不够等因素，都有可能导致产品的内部组织和结构缺陷。使用非金属材料进行3D打印，遇到的主要问题是产品尺寸精度和表面粗糙度不足。特别是采用熔融沉积制造、粉末喷射等原理的打印机，加工精度相对较低。产品加工完成后，还需要手工打磨、清洗等步骤。另外，在加工一些特殊结构时，需要生成辅助支撑结构，加工完成后还需手工去除并打磨，保持表面干净整洁。3、可用材料种类的有限性，影响打印技术的推广。虽然打印是一种先进的生产方式已在多个领域成功运用，但应用的范围仍然较为有限，尚不能成为主要的生产技术。其原因主要

11、是：材料、工艺和设备一体化的技术特点，使得打印材料的改变需要开发相应的工艺和装备，而现阶段市场提供的打印设备种类较少，能够加工的材料种类因而受到限制，许多工业用材料还没有相应的打印工艺设备提供，影响了打印技术的推广。另外，在成型过程中，往往会产生较大的热应力，对于一些脆性材料易出现开裂和翘曲，需开发特殊的打印技术。4、知识产权保护机制尚未建立，影响打印的创新发展。3D打印是一种数字模型直接驱动的成型制造方式，产品的数字模型是3D打印技术普及应用的关键因素。而产品数字模型的构建需要设计人员大量的创造性活动,代表了设计者的创新及其知识贡献,因而建立合理的产品数字模型的知识产权保护机制至关重要。通过

12、建立产品数字模型的知识产权保护机制，为产品的数字设计提供相应回报渠道，将有力推动打印产业发展。然而，现阶段打印软件和硬件的技术都没有纳入知识产权保护。为此，要建立知识产权保护机制，制定业内普遍认可和遵守的标准协议，构成一定的强制约束力。目前在全球范围内，此方面尚处于空白。五、前景前段时间，由成龙执导并担任主演的影片十二生肖想必很多人都看过，其中有一个画面就是将圆明园十二生肖兽首的详细数据输入电脑后，“打印机”立即就打印出了与实物一模一样的复制品。你很可能以为这是为吸引眼球而设计的带有科幻色彩的情节，但实际上，这种被称为“3D打印”的神奇技术正在成为各主要军事强国争相研发、应用的“新宠”。有专家

13、预测，未来我们生活中的电器、汽车以及房子，甚至是战场上使用的飞机、大炮、潜艇等武器装备，皆可被打印出来。事实上，3D打印对我国的制造业至关重要，我国若想成为制造强国，必须在3D技术上占领制高点。目前，国外已经通过3D打印技术成功地打印出了枪支、自行车、汽车、电控飞行器等物。去年，美国3D打印服务提供商已经打印了75万种产品，数量之多令人惊叹。我国的3D打印技术发展也颇为可观，目前世界上最大的3D打印机，正是出自我国的科技工作者之手；包括天宫一号的零部件，也都使用了3D打印技术。随着3D打印技术一路“高歌猛进”，科学家们不禁做出了这样的畅想：未来，也许建筑工地上只需一台超大型的3D打印机，就可以

14、自动打印楼房；也许只给月球发射几台3D打印机，就可利用现地材料打印出一个月球基地；如果生病了某个器官要换掉，无需找匹配的器官源，只要在患者身上取一些干细胞培养成为打印原料，然后打印出一个一模一样的器官进行移植就可以了有人把3D打印技术之于制造业的重要性比作喷墨打印机之于印刷业。如果3D打印真的能够达到普通打印机的普及程度，那么可以预计，生活中虽然依然需要工厂生产的商品，就像有了打印机我们依然需要买书买杂志一样，但是很多对质量要求不高的物品都可以通过3D打印机来解决了。那时我们逛超市，可能购物清单上会有这么几项：打印铝，1斤；打印塑料，半斤。奥巴马政府认为3D打印技术的发展是美国制造业提高竞争力

15、的一条捷径，有了这种技术，美国在与一些低成本国家进行竞争时会有更多优势。美国政府已经投资3000万美元用于3D打印技术的研发，并建立一个3D打印技术研究院。由此可见，3D打印技术的前景非常可观，是各国都争相发展的一门高端技术。六、3D打印的国内外发展状况3D打印在中国大概是这样发展的:1990年代初,中国涌现出一批以高校为主的先行者,如华中科技大学、清华大学、西安交通大学。当时也不叫3D打印技术,而叫激光快速成型技术,是用树脂来做零件。我国是继欧美之后第三个可以生产快速原型装备的国家,台湾地区、新加坡等也做过这方面的研究,但因他们抗争不过美国的跨国公司,均陆续停止,而我们不仅坚持了下来了,并且

16、取代了进口。截止目前,我们已经做了近二十年的研究,国产产品的市场占有率由0上升为85%。我们在基础研发上还是要弱一些,产业上也缺乏完整的产业链,但在一些技术上还是领先的,比如大型金属零件的打印,我们可以做到,并且在飞机工业开始试用。现在我们国内已经形成了3D打印的联盟,有几家做研究的大学,比如华中科技大学、北京航空航天大学、西北工业大学等,还有一些由大学孵化出来的企业,再就是一些服务性的企业形成联盟,大家协同分工。陕西省也组织了一个联盟。有做材料的西北有色金属材料研究院,做激光脉冲器的中国科学院西安光机所,还有做制造的西安交通大学、西北工业大学,另外就是一些社会上做软件的公司我们组成了一个团队

17、,相互交流,相互补充,促进发展软件是3D打印很重要的组成部分。当然,开发软件也不是很容易,既要懂工艺、懂材料,又要懂计算机、懂控制,是一个综合的技术。像美国就有专业的软件公司与3D打印相配套,形成了完整的产业链,但我们国家现在还没有做到这一步。德国科学家日前利用3D立体打印技术成功研制出了一种人造血管。世界上第一辆打印汽车日前也在加拿大亮相，其耐用又环保时尚的特点令许多传统汽车都相形见绌。美国一家公司正试图用钛合金来3D打印F-35战斗机零件，并且已经试飞。我国日前也投入了专项基金来攻克3D打印技术的几个重点难题。由此可见，3D打印技术目前是各国争先发展的一种技术，有人甚至认为它会引发制造业上

18、的一场革命，大大推动社会进步。但总体来说，3D打印技术目前在各国发展还都不够成熟，很多技术有待突破。 七、结论3D打印是一种各国正争相发展的技术，这种技术对于一个国家制造业的发展有着重要推动作用。3D打印一旦普及到一家一户，就会对我们的日常生活参生很大的便利，值得优先研究。参考文献：1BermanB.3-D printing:The New IndustrialevolutionJ.Business Horizons,2012,55(2):155-162.2Bourell D L,Leu MC,Rosen DW.Roadmap for Additive Manufacturing Identi

19、fying the Future of Freeform Processing.EB/OL.2013-07-23.3Special Report: A Third Industrial Revolution.The Economist, Apr 21st,2012:3-18.4Marsh, P. The New Industrial Revolution: Consumers, Globalization and the End of Mass Production, Yale University Press, 2012.5H.Kodama.Autumatic Method for Fabricating a Three-Dimensional Plastic Model with Photo Hardening PolymerJ.Rev Sci Instrum,2011，17：70-73.6王运赣.三维打印自由成形M.北京：机械工业出版社.2012.7孟剑.中国的3D打印机何时走出校园J.中国新时代,2012(12):90-91.8伍咏晖,李爱平,张曙.三维打印成形技术的新进展J.机械制造,2005(12):62-